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水下GPS的定位信号产生及多目标识别 【摘 要】为了提高水下GPS系统的定位精度并克服多径和多普勒频移的影响，扩频数据包采用线性调频信号完成距离测量，并为后续m编码的地址码提供同步头，利用码分多址原理克服码元干扰，为解决低信噪比条件下多目标信号检测的关键问题提供了一种有效的方法。 【关键词】线性调频信号；码分多址；多目标定位1引言 水下GPS定位导航系统主要由四个子系统组成：GPS浮标系统、水下信标机、数据控制中心与差分基准站。系统的工作原理是利用空间DGPS测量技术实时测定浮标的位置，实现不同浮标的时钟同步，进而由多枚浮标组成的浮标阵，构成水下定位导航的海面测量基准。另外，水下信标向各浮标发射水声定位信号，由船基数据控制中心根据信号的抵达时间与发射时间之差，来确定水下信标至各浮标之间的距离，从而在多枚浮标适当布阵的情况下，解算出水下信标的位置，实现水下目标的跟踪，定位。本文主要讨论水声定位信号的生成以及浮标系统对多个水下信标的识别。 2水声定位信号设计 水下信标机在水下时，不间断的向浮标系统发出定位信号。由于需要对多个水下信标机进行定位，这就需要知道每一个水下信标机的设备编号，即其唯一的地址码。因此浮标系统与水下信标机通信链路要实现目的为：1）水下信标机到浮标系统的精确测时；2）水下信标机的地址码的正确识别。通信链路主要利用扩频方式进行通信，最大程度上降低系统功耗并提高系统的测距精度，具体采用线性调频(Linear Frequency Modulation)信号同步引导，m码调制地址码的复合信号，结合高速实时信号处理技术进行定位识别。水下环境的复杂，导致了水声信道的复杂性。水声信道的主要特点有：带宽受限严重的多径效应快衰落高噪声。由于水声信道的以上特点，水声定位信号可以采用线性调频(Linear Frequency Modulation)信号，又称Chirp信号，是一类通过非线性相位调制获得时变信号，其占用的频带宽度远大于信息宽度，从而也可获得很大的处理增益。相对于FSK调制信号的突出优点是匹配滤波器对信号的多普勒频移不敏感，大大简化了信号处理系统，因此在雷达目标、声纳、地震勘探和通信对抗等方面有着广泛的应用。在本系统中水声定位信号采用线性调频信号，其表达式为)]187500t18750t(2[sinf2+=π (1) 其波形图如图(1)所示，本系统线性调频信号采用的是碎发通信形式，时隙较短，LFM的脉冲宽度为20ms，因此可以认为信道短时平稳，发送数据的同步信息也可以一次确定，而且也可认为多径的每条路径上的时延也基本是恒定，只需由前导序列一次确定相关同步信息。由于LFM信号对水声信道上的多径传输和多普勒扩展造成的衰落和失真均不敏感，因此可利用线性调频信号作为帧同步信号，接收端利用匹配滤波器进行信号处理，对水下信标机精确测距，并同时为后续地址码的处理提供了同步头信息。水下定位系统的高精度测距对水下信标机回波信号形式以及浮标系统的数据处理方法提出了较高的要求，本系统主要采用扩频调制方式来降低水下信标机发射功耗，降低接收机噪声并提高其信噪比，同时有效克服多径效应、海底泥沙的干扰以及多普勒频移现象。CDMA(Code Division Multiple Access)通信是利用相互正交(或尽可能正交)的不同编码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和和网络的通信，即码分多址通信。由于利用相互正交(或尽可能正交)的编码去调制信号，会将原信号的信号频谱带宽扩展。因此，对这种调制方式的通信，又称为扩展频谱通信。码分多址运用扩频码序列互不干扰的原理来实现多址通信，有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个水下信标机同时在一片水域上通信。CDMA常用的地址码主要有：Walsh码、m序列码和Gold码。考虑到本系统的水下信标机的数目，可采用r=4的线性移位寄存器构成码长为16的m码作为地址码，其本原多项式为f(x)=1+x+x4，f(x)=1+x4 (2)中心频率为18.75 kHz。其波形图如图(2)所示。水下信标机发射信号数据包结构如图（3）所示，线性调频信号做同步引导脉冲，延迟己知时间T后跟随m编码的地址码信息。接收机利用线性调频信号的匹配滤波器处理，将相关峰出现的时刻作为帧同步时刻，然后按照延迟时间T转入对m信息码的处理过程。采集并存储完m码后系统重新进入线性调频信号的有哪些信誉好的足球投注网站过程，不断循环，直至数据采集结束，然后进入m码的地址匹配处理，最终完成水下信标机信息识别。这里时延T的插入是为了让接收机不至于受到线性调频信号时延多径的影响，同时也是接收机进行匹配滤波所需要的时间延迟要求。在线性调频信号已同步的基础上,对地址码的处理就相对简单了。利用一一匹配滤波并与门限相比较的方法,检测出地址